ESD防护器件之TVS选型和使用

引言

TVS 瞬态电压抑制器。TVS管有单向和双向之分，单向TVS一般用于直流供电电路，双向TVS应用于电压交变的电路。单向TVS管应用于直流电路，当电路正常工作时，TVS处于截止状态（高阻态)，不影响正常工作。当电路出现瞬态电压突变并且达到TVS的击穿电压（雪崩)，TVS 会迅速由高阻态变为低阻态，泄放由异常过压导致的瞬态过电流到地，同时将异常电压箝位在较低水平，从而保护后级电路免遭异常过压的损坏。当异常过压消失后，TVS阻值又恢复为高阻态。

TVS的七大参数

如上图所示，TVS有以下七大参数：

• VRWM反向关断电压/反向工作电压
  

TVS的最高工作电压，可连续施加不引起TVS 劣化或损坏的最高工作峰值电压或直流峰值电压。对于交流电压，用最高工作电压有效值表示，在VRWM下，TVS被认为是不工作的，即不导通的。电路设计时最高工作的电压必须小于VRWM，否则将会导致TVS工作导致电路异常。

• IR 反向漏电流
  

反向漏电流一般是待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下流过 TVS 的最大电流。TVS的漏电流一般是在反向工作电压下测量，对于某一型号 TVS， IR 应在规定值范围内。对于 TVS两端施加的电压值为 VRWM，从电流表读出的电流就是 TVS 的漏电流 IR。对于同功率和同电压的 TVS，在 VRWM 小于等于 10 V 时， 双向 TVS 漏电流是单向 TVS 漏电流的两倍。一般的漏电流<100 nA，对于一些模拟端口，漏电流会影响 ADC 的采样值，所以 TVS 的漏电流越小越好。

• VBR 击穿电压

击穿电压（breakdown voltage），当 ESD 防护开始工作的电压，一般是 TVS 通过 1 mA 时的电压，一般施加电流的时间不超过 400 ms,以免损坏器件， VBRmin 和 max 是 TVS 击穿电压的一个偏差，一般 TVS 为正负 5%的偏差。测量时 VBR 落在 min 和 max 之间视为合格品。

•  IPP 峰值脉冲电流

峰值电流，给定脉冲电流波形的峰值。TVS 一般选用 10/1000 us 或者 8/20 us 的电流波形。

• VC 箝位电压
  

箝位电压，施加在规定波形的峰值脉冲电流 IPP 时， TVS 两端的峰值电压。IPP 以及 VC 是衡量TVS 在电路保护中抵抗浪涌脉冲电流以及限制电压能力的参数，这两个参数是互相联系的。对于相同型号的 TVS， IPP 越大耐电流冲击能力越强，若在 IPP 相同下的 VC 越小，说明 TVS 的箝位特性越好。

• Cj结电容

结电容是 TVS 中的寄生电容，在高速 IO 端口保护需要重点关注，过大的结电容可能会影响信号的质量。根据被保护的信号速率，选择合适的结电容，如下给出常见接口，推荐的 ESD 结电容大小范围。

• TVS 功率

TVS 功率是在考虑防浪涌时， TVS 不会被浪涌电流脉冲打坏。 

TVS选型（5a测试脉冲为例）

1.确定TVS管的反向关断电压VRWM

例如：产品为24V系统，则反向关断电压一般要求大于或等于供电电压即可，但考虑到需要过电压性能测试，所以选择36V。

2.确定TVS的峰值电流

例如：5a脉冲最高峰值为202V，测试设备输出内阻为4Ω（这两项均与测试设备和测试标准相关）。则可知TVS的峰值电流Ipp应该不小于50.5A。

3.确定TVS的箝位电压

箝位电压Vcmax一般为反向关断电压VRWM的1.5~2倍，因此选择箝位电压Vcmax范围为54V~72V。

4.确定TVS管的峰值功率

根据箝位电压和峰值电流，可知TVS管的峰值功率Pppm范围为2.7kW~3.6kW。应注意的是，5a脉冲不同于浪涌脉冲，其脉冲宽度大，持续时间很长。5~10ms时峰值达到最大202V，此时要求TVS管的功率应在3.6kW以上；而在100ms时电压脉冲峰值有84V，此时应要求TVS功率在1.5kW以上。选型时应关注器件的功率的功率时间曲线。

5.确认选型：

根据以上参数，选择型号为SM8S 36A 6701的TVS管来防护5a脉冲。型号SM8S 36A 6701的TVS管是单向导通的TVS管，该TVS的反向关断电压为36V，最大通流量为114A，满足要求。

再看SM8S 36A 6701的功率时间曲线如上，10ms时器件防护功率为5.3kW，高于峰值功率3.6kW的防护要求；100ms时防护功率为1.8kW。高于1.5kW防护要求，因此选型完毕。